一种泥石流的平衡坡度测算方法及其应用
【专利摘要】本发明公开了一种泥石流的平衡坡度测算方法及其应用，属于泥石流防治工程技术领域，包括以下步骤：通过现场调查测量屈服应力τ，单位pa；通过野外容重实验，确定泥石流容重p，单位kg/m3，通过现场调查测量泥石流流深h，单位m；将步骤a中的屈服应力τ、泥石流容重p和泥石流流深h代入式中，确定无量纲化的屈服应力τ*；将步骤b中得到的无量纲化的屈服应力τ*代入式S＝3.0887τ*1.3724中，确定无量纲化的坡度S；最后将步骤c中得到的无量纲化的坡度S代入式S＝tana中，得到平衡坡度a。本发明通过无量纲化将尺寸效应消除，有利于推演到实际发生的泥石流中，为泥石流灾害防治工程设计提供理论依据，提高防灾适用性。
【专利说明】
一种泥石流的平衡坡度测算方法及其应用
技术领域
[0001] 本发明涉及到泥石流防治工程技术领域，尤其涉及一种泥石流的平衡坡度测算方 法及其应用。
【背景技术】
[0002] 泥石流是暴雨、洪水将含有沙石且松软的土质山体经饱和稀释后形成的洪流，它 的面积、体积和流量都较大，而滑坡是经稀释土质山体小面积的区域，典型的泥石流由悬浮 着粗大固体碎肩物并富含粉砂及粘土的粘稠泥浆组成。在适当的地形条件下，大量的水体 浸透流水山坡或沟床中的固体堆积物质，使其稳定性降低，饱含水分的固体堆积物质在自 身重力作用下发生运动，就形成了泥石流。泥石流是一种灾害性的地质现象。通常泥石流爆 发突然、来势凶猛，可携带巨大的石块。因其高速前进，具有强大的能量，因而破坏性极大。
[0003] 泥石流的平衡坡度是指泥石流在运动过程中，其表面流速在各个流动阶段达到一 个定值，运动过程中所对应的沟床坡度即为平衡坡度。泥石流按照其运动状态分为稀性泥 石流、过渡性泥石流和粘性泥石流。其中，粘性泥石流，是指含大量粘性土的泥石流或泥流。 其特点是粘性大，固体物质占 40-60%，最尚达80%，其中的水不是搬运介质，而是组成物 质，稠度大，石块呈悬浮状态，暴发突然，持续时间亦短，破坏力大;而稀性泥石流，以水为主 要成分，粘性土含量少，固体物质占 10-40 %，有很大分散性，水为搬运介质，石块以滚动或 跃移方式前进，具有强烈的下切作用。
[0004] 在实际发生的泥石流沟中，沟床表面有不同粒径的砾石，故其沟床存在不同的阻 力。目前，国内外对泥石流的平衡坡度研究很少，在泥石流的防治中，也很少考虑平衡坡度 的作用，修建的排导槽往往会淤积泥石流或被冲刷，极大的浪费了资源，影响泥石流的防治 效果。
[0005] 公开号为CN 103321190A，【公开日】为2013年09月25日的中国专利文献公开了一种 泥石流拦砂坝溢流口过流流量测算方法及其应用，该方法通过现场调查测量、野外容重试 验和大比例尺地形图测算等手段，确定泥石流容重、沟道坡度、溢流口宽度、溢流口底宽、坝 址处沟道宽度、溢流口位置系数、溢流口边坡系数和设计泥深，将所得参数分别代入流量系 数和过流流量式，得到不同条件下的溢流口过流流量，从而对所设计的拦砂坝溢流口过流 能力进行校核。
[0006] 该专利文献公开的泥石流拦砂坝溢流口过流流量测算方法，虽然考虑了沟道条件 和泥石流自身性质，通过理论推导得到流量系数方程和溢流口过流流量方程，确定流量系 数，进而能够确定过流流量大小，为泥石流灾害防治工程设计提供依据，但是，由于没有考 虑到泥石流的平衡坡度作用，对于修建排导槽不能起到更好的指导作用，致使防灾适用性 变差，不利于野外大尺度防治工程的应用。
【发明内容】
[0007] 本发明为了克服上述现有技术的缺陷，提供一种泥石流的平衡坡度测算方法及其 应用，本发明通过测算泥石流的平衡坡度，并将泥石流运动对沟床冲刷和淤积影响效果进 行综合考虑，对于泥石流的防治，修建排导槽具有更好的指导作用，具有更高的防灾适用性 且适用于野外大尺度的防治工程应用。
[0008] 本发明通过下述技术方案实现：
[0009] -种泥石流的平衡坡度测算方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0010] a、通过现场调查测量屈服应力τ，单位pa;通过野外容重实验，确定泥石流容重p， 单位kg/m3，通过现场调查测量泥石流流深h，单位m;
[0011] b、先将步骤a中的屈服应力τ、泥石流容重p和泥石流流深h代入式1中，确定无量纲 化的屈服应力
[0013] 式1中，g为重力加速度，大小为9.8m/s2;
[0014] c、再将步骤b中得到的无量纲化的屈服应力f代入式2中，确定无量纲化的坡度S;
[0015] 8 = 3.0887^-3724 (式 2);
[0016] d、最后将步骤c中得到的无量纲化的坡度S代入式3中，得到平衡坡度a，单位度；
[0017] S = tana (式3)〇
[0018] 本发明，适用于稀性泥石流、过渡性泥石流或粘性泥石流针对在低阻力情况下的 平衡坡度测算。
[0019] 本发明，所述低阻力是指稀性泥石流、过渡性泥石流或粘性泥石流先运动到沟床， 淤积在沟床中，形成铺床时的阻力。
[0020] 本发明，适用于预测泥石流沟道的发展演化规律。
[0021] 本发明的原理：
[0022] 如果泥石流沟道的坡度大于泥石流的平衡坡度，泥石流将冲涮底床，造成沟道下 切，破坏原来的沟道形态，可能会冲毁跨过沟道的桥梁桥墩，从底部跨过沟道的输油输气管 道等，造成重大经济损失;也可能会冲毁房屋基础及破坏房屋，造成人员伤亡。
[0023] 如果泥石流沟道的坡度小于泥石流的平衡坡度，泥石流将在底床淤积，造成沟道 回淤，破坏原来的沟道形态，可能会淤埋跨过沟道的桥梁，淤埋公路，造成重大经济损失;也 可能会淤埋房屋及破坏房屋，造成人员伤亡。
[0024] 无量纲化的屈服应力是泥石流平衡坡度的一个重大影响因素。
[0025]泥石流的屈服应力越大，代表泥石流的粘性越强，泥石流运动的阻力越大，所需要 的运动坡度越大。
[0026]泥石流的运动水深越大，底部的阻力相对影响区域越小，阻力越小，泥石流所需要 的运动坡度越小。
[0027]重力加速度是一个常数;泥石流的容重的变化幅度范围较小，一般地，容重越大， 泥石流的屈服应力也越大，泥石流运动的阻力越大，所需要的运动坡度越大主河流量越大。 但屈服应力增长的幅度远大于容重的增长幅度。
[0028] 无量纲化的屈服应力，反映了泥石流的特征与泥石流运动的阻力关系，也即泥石 流特征与平衡坡度关系:无量纲化的屈服应力越大，泥石流阻力越大，泥石流运动所需要的 坡度也越大。式2反映了泥石流的特征与平衡坡度关系。
[0029 ]最后，通过式3，可以计算出泥石流的平衡坡度。
[0030] 本发明公式使用的参数均经过无量纲处理，可以较好的避免因为单位数量级差距 带来的误差，可以较好的适用于野外情况。
[0031] 本发明的有益效果主要表现在以下方面：
[0032] 一、本发明，通过现场调查测量屈服应力τ，单位pa;通过野外容重实验，确定泥石 流容重P，单位kg/m3，通过现场调查测量泥石流流深h，单位m;将步骤a中的屈服应力τ、泥石 流容重Ρ和泥石流流深h代入式1中，确定无量纲化的屈服应力τ%将步骤b中得到的无量纲 化的屈服应力？代入式S = 3.0887#·3724中，确定无量纲化的坡度S;最后将步骤c中得到的 无量纲化的坡度S代入式S = tana中，得到平衡坡度a;采用这种测算方法，将泥石流运动对 沟床冲刷和淤积影响效果综合起来考虑，得出一种量纲和谐、计算方便、计算结果准确的泥 石流平衡坡度算法;通过无量纲化将尺寸效应消除，有利于推演到实际发生的泥石流中，为 泥石流灾害防治工程设计提供理论依据；因此，本发明对于泥石流防治，修建排导槽有更好 的指导作用，具有更高的防灾适用性且适用于野外大尺度的实际计算和防治工程的应用。
[0033] 二、本发明，适用于稀性泥石流、过渡性泥石流或粘性泥石流针对在低阻力情况下 的平衡坡度测算，测算准确度高，提高了防灾适用性。
[0034] 三、本发明，低阻力是指稀性泥石流、过渡性泥石流或粘性泥石流先运动到沟床， 淤积在沟床中，形成铺床时的阻力，尤其适用于低阻力情况下的平衡坡度测算，进一步提高 了防灾适用性。
[0035] 四、本发明，通过无量纲化将尺寸效应消除，有利于推演到实际发生的泥石流中， 为泥石流灾害防治工程设计提供理论依据，提高防灾适用性。
[0036] 五、本发明，可以预测泥石流沟道的发展演化规律，未来的沟道是冲刷还是淤积的 发展趋势，为公路、桥梁、输油输气管道铺设，村镇建设提供参考依据;也可以作为已有的公 路、桥梁、输油输气管道铺设、村镇等的防灾减灾提供防治依据。
【具体实施方式】 [0037] 实施例1
[0038] -种泥石流的平衡坡度测算方法，包括以下步骤：
[0039] a、通过现场调查测量屈服应力τ，单位pa;通过野外容重实验，确定泥石流容重p， 单位kg/m3，通过现场调查测量泥石流流深h，单位m;
[0040] b、先将步骤a中的屈服应力τ、泥石流容重p和泥石流流深h代入式1中，确定无量纲 化的屈服应力
[0042] 式1中，g为重力加速度，大小为9.8m/s2;
[0043] c、再将步骤b中得到的无量纲化的屈服应力f代入式2中，确定无量纲化的坡度S;
[0044] S = 3.0887^1.3724 (式 2);
[0045] d、最后将步骤c中得到的无量纲化的坡度S代入式3中，得到平衡坡度a，单位度；
[0046] S = tana (式 3)〇
[0047]本实施例为最基本的实施方式，通过现场调查测量屈服应力τ，单位pa;通过野外 容重实验，确定泥石流容重P，单位kg/m3，通过现场调查测量泥石流流深h，单位m;将步骤a 中的屈服应力τ、泥石流容重P和泥石流流深h代入式1中，确定无量纲化的屈服应力τ%将步 骤b中得到的无量纲化的屈服应力？代入式S = 3.0887#·3724中，确定无量纲化的坡度S;最 后将步骤c中得到的无量纲化的坡度S代入式S = tana中，得到平衡坡度a;采用这种测算方 法，将泥石流运动对沟床冲刷和淤积影响效果综合起来考虑，得出一种量纲和谐、计算方 便、计算结果准确的泥石流平衡坡度算法;通过无量纲化将尺寸效应消除，有利于推演到实 际发生的泥石流中，为泥石流灾害防治工程设计提供理论依据；因此，本发明对于泥石流防 治，修建排导槽有更好的指导作用，具有更高的防灾适用性且适用于野外大尺度的实际计 算和防治工程的应用。
[0048] 实施例2
[0049] -种泥石流的平衡坡度测算方法，包括以下步骤：
[0050] a、通过现场调查测量屈服应力τ，单位pa;通过野外容重实验，确定泥石流容重p， 单位kg/m3，通过现场调查测量泥石流流深h，单位m;
[0051] b、先将步骤a中的屈服应力τ、泥石流容重p和泥石流流深h代入式1中，确定无量纲 化的屈服应力
[0053] 式1中，g为重力加速度，大小为9.8m/s2;
[0054] c、再将步骤b中得到的无量纲化的屈服应力f代入式2中，确定无量纲化的坡度S;
[0055] S = 3.0887^1.3724 (式 2);
[0056] d、最后将步骤c中得到的无量纲化的坡度S代入式3中，得到平衡坡度a，单位度；
[0057] S = tana (式 3)〇
[0058] 适用于稀性泥石流、过渡性泥石流或粘性泥石流针对在低阻力情况下的平衡坡度 测算。
[0059] 本实施例为较佳的实施方式，适用于稀性泥石流、过渡性泥石流或粘性泥石流针 对在低阻力情况下的平衡坡度测算，测算准确度高，提高了防灾适用性。
[0060] 实施例3
[0061] -种泥石流的平衡坡度测算方法，包括以下步骤：
[0062] a、通过现场调查测量屈服应力τ，单位pa;通过野外容重实验，确定泥石流容重p， 单位kg/m3，通过现场调查测量泥石流流深h，单位m;
[0063] b、先将步骤a中的屈服应力τ、泥石流容重p和泥石流流深h代入式1中，确定无量纲 化的屈服应力
[0065] 式1中，g为重力加速度，大小为9.8m/s2;
[0066] c、再将步骤b中得到的无量纲化的屈服应力f代入式2中，确定无量纲化的坡度S;
[0067] 8 = 3.0887^-3724 (式 2);
[0068] d、最后将步骤c中得到的无量纲化的坡度S代入式3中，得到平衡坡度a，单位度；
[0069] S = tana (式 3)〇
[0070] 适用于稀性泥石流、过渡性泥石流或粘性泥石流针对在低阻力情况下的平衡坡度 测算。
[0071] 所述低阻力是指稀性泥石流、过渡性泥石流或粘性泥石流先运动到沟床，淤积在 沟床中，形成铺床时的阻力。
[0072] 本实施例为又一较佳的实施方式，通过现场调查测量屈服应力τ，单位pa;通过野 外容重实验，确定泥石流容重P，单位kg/m 3，通过现场调查测量泥石流流深h，单位m;将步骤 a中的屈服应力τ、泥石流容重p和泥石流流深h代入式1中，确定无量纲化的屈服应力τ%将 步骤b中得到的无量纲化的屈服应力f代入式S = 3.0887tw·3724中，确定无量纲化的坡度S; 最后将步骤c中得到的无量纲化的坡度S代入式S = tana中，得到平衡坡度a;采用这种测算 方法，将泥石流运动对沟床冲刷和淤积影响效果综合起来考虑，得出一种量纲和谐、计算方 便、计算结果准确的泥石流平衡坡度算法;通过无量纲化将尺寸效应消除，有利于推演到实 际发生的泥石流中，为泥石流灾害防治工程设计提供理论依据；因此，本发明对于泥石流防 治，修建排导槽有更好的指导作用，具有更高的防灾适用性且适用于野外大尺度的实际计 算和防治工程的应用。尤其适用于低阻力情况下的平衡坡度测算，进一步提高了防灾适用 性。
[0073] 实施例4
[0074] -种泥石流的平衡坡度测算方法，包括以下步骤：
[0075] a、通过现场调查测量屈服应力τ，单位pa;通过野外容重实验，确定泥石流容重p， 单位kg/m3，通过现场调查测量泥石流流深h，单位m;
[0076] b、先将步骤a中的屈服应力τ、泥石流容重p和泥石流流深h代入式1中，确定无量纲 化的屈服应力
[0078] 式1中，g为重力加速度，大小为9 · 8m/s2;
[0079] c、再将步骤b中得到的无量纲化的屈服应力f代入式2中，确定无量纲化的坡度S;
[0080] S = 3.0887^1.3724 (式 2);
[0081] d、最后将步骤c中得到的无量纲化的坡度S代入式3中，得到平衡坡度a，单位度；
[0082] S = tana (式 3)〇
[0083]适用于预测泥石流沟道的发展演化规律。
[0084] 本实施例为最佳的实施方式，可以预测泥石流沟道的发展演化规律，未来的沟道 是冲刷还是淤积的发展趋势，为公路、桥梁、输油输气管道铺设，村镇建设提供参考依据;也 可以作为已有的公路、桥梁、输油输气管道铺设、村镇等的防灾减灾提供防治依据。
[0085] 下面对云南东川蒋家沟泥石流和甘肃武都地区柳弯沟泥石流进行分析：
[0086] 云南东川蒋家沟2000年8月9日发生泥石流，根据此次泥石流的实际调查可得该泥 石流具有紧密的结构，实测泥石流容重P为2300kg/m3时，屈服应力τ为2000pa，泥石流流深h 为l-2m(防灾减灾工程学报第25卷第二期："粘性泥石流阵性运动对沟床冲淤演变的影响-以云南东川蒋家沟为例"）。因不知道详细的流深，因此可有流深l-2m推测实际的运动坡度。 将屈服应力 1： = 200(^3 4 = 23001^/1113,8 = 9.8111/82，11 = 11]1带入式1可得1：* = 0.089，再将1：* = 0.089带入式2可得3 = 0.11，再将3 = 0.111带入式3可得& = 6.3度；再将屈服应力1 = 2000卩&，卩=23001^/1113,8 = 9.8111/82，11 = 21]1带入式1可得1：* = 0.044，再将1：* = 0.044带入式2 可得S = 0.042,再将S = 0.042带入式3可得a = 2.4度，因此在流深l-2m时的平衡坡度在2.4-6.3度之间。而一般蒋家沟沟道的坡度在4.1度左右。
[0087]说明用本发明方法计算的平衡坡度符合实际情况。
[0088] 甘肃武都地区柳弯沟，在1963-1964年期间观测到多次泥石流(甘肃泥石流，人民 交通出版社，1982年），泥石流特征参数及平衡坡度计算见下表1:
[0090]表 1
[0091 ] 通过表1可知，在流深0.3-0.6m时的平衡坡度在4-9.2度之间，而甘肃武都地区柳 弯沟沟道的坡度在6.3度左右。
[0092]说明用本发明方法计算的平衡坡度符合实际情况。
[0093]综上，采用这种测算方法，将泥石流运动对沟床冲刷和淤积影响效果综合起来考 虑，得出一种量纲和谐、计算方便、计算结果准确的泥石流平衡坡度算法;通过无量纲化将 尺寸效应消除，有利于推演到实际发生的泥石流中，为泥石流灾害防治工程设计提供理论 依据；因此，本发明对于泥石流防治，修建排导槽有更好的指导作用，具有更高的防灾适用 性且适用于野外大尺度的实际计算和防治工程的应用。
【主权项】
1. 一种泥石流的平衡坡度测算方法，其特征在于，包括W下步骤： 曰、通过现场调查测量屈服应力τ，单位pa;通过野外容重实验，确定泥石流容重P，单位 kg/m3，通过现场调查测量泥石流流深h，单位m; b、先将步骤a中的屈服应力τ、泥石流容重P和泥石流流深h代入式1中，确定无量纲化的 屈服应力τ%(或 1,); 式1中，g为重力加速度，大小为9.8m/s2; C、再将步骤b中得到的无量纲化的屈服应力τ气戈入式2中，确定无量纲化的坡度S; S = 3.0887t*i'3724 (式 2). d、最后将步骤C中得到的无量纲化的坡度S代入式3中，得到平衡坡度a,单位度； S = tana 试 3)。2. 根据权利要求1所述的一种泥石流的平衡坡度测算方法的应用，其特征在于:适用于 稀性泥石流、过渡性泥石流或粘性泥石流针对在低阻力情况下的平衡坡度测算。3. 根据权利要求2所述的一种泥石流的平衡坡度测算方法的应用，其特征在于:所述低 阻力是指稀性泥石流、过渡性泥石流或粘性泥石流先运动到沟床，渺积在沟床中，形成铺床 时的阻力。4. 根据权利要求1所述的一种泥石流的平衡坡度测算方法的应用，其特征在于:适用于 预测泥石流沟道的发展演化规律。
【文档编号】G06Q50/26GK106096320SQ201610573524
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年7月19日
【发明人】余斌, 禹磊
【申请人】成都理工大学